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GPU Cluster & KI-Skalierung mit Kubernetes: Leitfaden 2026 für deutsche Unternehmen

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Warum GPU-Cluster jetzt – Business Value

KI-Modelle werden größer und rechenintensiver – lokale GPUs reichen nicht mehr aus. Kubernetes-basierte GPU-Cluster ermöglichen echte Skalierung und Kosteneffizienz.

  • +300-500% Durchsatz bei Batch-Inferencing durch parallele GPU-Nutzung
  • -40-60% Kosten durch intelligente Ressourcenverteilung und Spot-Instances
  • +24/7 Verfügbarkeit durch Multi-Zone-Deployment und Auto-Scaling
  • 6-9 Monate ROI bei strategischem GPU-Cluster-Aufbau

Weiterlesen: /blog/ki-integration-it-systeme-2026 · /blog/llmlite-vs-ollama-lokale-enterprise-ki

GPU-Cluster Architektur mit Kubernetes

GPU-Cluster Kubernetes Architektur – Multi-Node GPU-Pool mit Auto-Scaling

1. Infrastructure Layer

  • GPU-Nodes: NVIDIA A100/H100, AMD MI250, oder Cloud GPUs (AWS P4/P5, Azure NC/ND)
  • Storage: NVMe SSDs für Model-Caching, S3-kompatible Objektspeicher
  • Networking: 100Gbps InfiniBand oder 25Gbps Ethernet für GPU-Kommunikation

2. Kubernetes Layer

  • GPU-Operator: NVIDIA GPU Operator für Driver/Container-Runtime
  • Node-Selector: GPU-Typ, Speicher, Region-basierte Pod-Platzierung
  • Resource Quotas: GPU-Limits pro Namespace/Team

3. AI/ML Layer

  • Model Serving: Triton Inference Server, TorchServe, TensorFlow Serving
  • Training: Kubeflow, Ray für verteiltes Training
  • Monitoring: Prometheus + Grafana für GPU-Metriken

Praktische Implementierung

GPU-Cluster Setup (AWS EKS)

# gpu-cluster-config.yaml
apiVersion: eksctl.io/v1alpha5
kind: ClusterConfig

metadata:
  name: ai-gpu-cluster
  region: eu-central-1

nodeGroups:
  - name: gpu-nodes
    instanceType: p3.2xlarge # 1x V100 GPU
    minSize: 2
    maxSize: 10
    volumeSize: 100
    labels:
      gpu: 'v100'
      ai-workload: 'inference'
    taints:
      - key: nvidia.com/gpu
        value: present
        effect: NoSchedule

  - name: gpu-training
    instanceType: p3.8xlarge # 4x V100 GPUs
    minSize: 1
    maxSize: 5
    labels:
      gpu: 'v100'
      ai-workload: 'training'

GPU-Pod Deployment

# inference-deployment.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: llm-inference
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: llm-inference
  template:
    metadata:
      labels:
        app: llm-inference
    spec:
      containers:
        - name: llm-server
          image: nvcr.io/nvidia/tritonserver:23.12-py3
          resources:
            limits:
              nvidia.com/gpu: 1
              memory: '16Gi'
              cpu: '8'
            requests:
              nvidia.com/gpu: 1
              memory: '12Gi'
              cpu: '4'
          ports:
            - containerPort: 8000
          env:
            - name: MODEL_REPOSITORY
              value: '/models'
          volumeMounts:
            - name: model-storage
              mountPath: /models
      volumes:
        - name: model-storage
          persistentVolumeClaim:
            claimName: model-pvc
      tolerations:
        - key: nvidia.com/gpu
          operator: Exists
          effect: NoSchedule

Kostenoptimierung & Multi-Cloud

GPU-Pricing Vergleich (Deutschland 2026)

ProviderGPU-TypStundeMonatSpot-Preis
AWSP4 (A100)€2.50€1.800€0.75
AzureNC A100€2.30€1.650€0.70
GCPA100€2.20€1.580€0.65
HetznerRTX 4090€0.80€580-
On-PremA100€0.40*€290*-

*Amortisiert über 3 Jahre

Auto-Scaling mit HPA

# gpu-hpa.yaml
apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: llm-inference-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: llm-inference
  minReplicas: 2
  maxReplicas: 20
  metrics:
    - type: Resource
      resource:
        name: cpu
        target:
          type: Utilization
          averageUtilization: 70
    - type: Resource
      resource:
        name: memory
        target:
          type: Utilization
          averageUtilization: 80
  behavior:
    scaleDown:
      stabilizationWindowSeconds: 300
      policies:
        - type: Percent
          value: 50
          periodSeconds: 60

Monitoring & Observability

GPU-Metriken Dashboard

# gpu-monitoring.yaml
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: gpu-prometheus-config
data:
  prometheus.yml: |
    global:
      scrape_interval: 15s
    scrape_configs:
    - job_name: 'gpu-metrics'
      static_configs:
      - targets: ['gpu-exporter:9445']
      metrics_path: /metrics
    - job_name: 'kubernetes-pods'
      kubernetes_sd_configs:
      - role: pod
      relabel_configs:
      - source_labels: [__meta_kubernetes_pod_annotation_prometheus_io_scrape]
        action: keep
        regex: true

Key Performance Indicators

KPIZielwertMonitoring
GPU Utilization>80%NVIDIA DCGM, Prometheus
Inference Latency<100msJaeger, OpenTelemetry
Throughput>1000 req/secLoad Testing, Grafana
Cost per Request<€0.001Cloud Billing API
Uptime>99.9%Kubernetes Events

Hybrid-Strategie: On-Prem + Cloud

Workload-Verteilung

# workload-scheduler.py
import kubernetes
from typing import Dict, List

class GPUScheduler:
    def __init__(self):
        self.on_prem_gpus = 8  # A100 Cluster
        self.cloud_gpus = 20   # Spot Instances

    def schedule_workload(self, workload: Dict) -> str:
        if workload['priority'] == 'high':
            return 'on-prem'  # Garantierte Verfügbarkeit

        if workload['batch_size'] > 1000:
            return 'cloud-spot'  # Kostengünstig für große Batches

        if self.on_prem_utilization < 0.7:
            return 'on-prem'  # Lokale Kapazität nutzen

        return 'cloud-on-demand'  # Fallback

Multi-Cluster Setup

# multi-cluster-config.yaml
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: cluster-config
data:
  clusters.yaml: |
    clusters:
      - name: on-prem-gpu
        endpoint: https://on-prem-k8s:6443
        gpu-count: 8
        gpu-type: "a100"
        cost-per-hour: 0.40
        
      - name: aws-gpu-spot
        endpoint: https://aws-eks:6443
        gpu-count: 20
        gpu-type: "a100"
        cost-per-hour: 0.75
        
      - name: azure-gpu-on-demand
        endpoint: https://azure-aks:6443
        gpu-count: 10
        gpu-type: "a100"
        cost-per-hour: 2.30

90-Tage Implementierungsplan

Phase 1: Foundation (Woche 1-4)

  • Woche 1: GPU-Cluster Design, Provider-Auswahl, Budget-Planung
  • Woche 2: Kubernetes-Cluster Setup, GPU-Operator Installation
  • Woche 3: Monitoring & Logging (Prometheus, Grafana, ELK)
  • Woche 4: CI/CD Pipeline für Model-Deployment

Phase 2: Model Serving (Woche 5-8)

  • Woche 5: Triton Inference Server Setup, Model-Repository
  • Woche 6: Auto-Scaling Konfiguration, Load Testing
  • Woche 7: Multi-Model Deployment, A/B Testing
  • Woche 8: Performance-Optimierung, Cost Monitoring

Phase 3: Production (Woche 9-12)

  • Woche 9: Security Hardening, RBAC, Network Policies
  • Woche 10: Disaster Recovery, Backup-Strategie
  • Woche 11: Production Rollout, Canary Deployment
  • Woche 12: Betriebsübergabe, Dokumentation, Team-Training

ROI & Business Case

Investitionskosten (Beispiel: 10-GPU Cluster)

KomponenteKostenAmortisation
Hardware€150.00024 Monate
Software€25.00012 Monate
Setup€15.0006 Monate
Training€10.0003 Monate
Gesamt€200.00018 Monate

Erwartete Einsparungen

  • Cloud-Kosten: -60% durch On-Prem GPU-Nutzung
  • Entwicklungszeit: -40% durch parallele Training/Inference
  • Time-to-Market: -50% durch schnelleres Model-Deployment
  • Skalierbarkeit: +300% Durchsatz bei Spitzenlasten

Fazit & Next Steps

GPU-Cluster mit Kubernetes sind die Zukunft für KI-Workloads im Unternehmen. Die Kombination aus On-Prem und Cloud bietet maximale Flexibilität und Kosteneffizienz.

Nächste Schritte:

  1. GPU-Cluster-Architektur für Ihr Unternehmen designen
  2. Pilot-Projekt mit 2-4 GPUs starten
  3. Monitoring und Cost-Optimierung implementieren
  4. Schrittweise Skalierung basierend auf Business-Needs

Kontakt: Für individuelle Beratung zu GPU-Cluster-Implementierung in Ihrem Unternehmen. Dieser Artikel ist Teil unserer Serie zu KI-Infrastruktur und Skalierung für den deutschen Mittelstand. Weitere Artikel: KI-Integration in IT-Systeme, Lokale Enterprise-KI

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